温度和应力对花岗岩热破裂的影响机理探究

摘要

随着不可再生能源的日益减少，新能源的开发成为了科学界的热门话题。高温地热能作为一种可持续发展的新型能源在我国资源储量丰富。研究温度和应力对花岗岩的热破裂影响机理对高温地热能的开发具有巨大的指导作用。 花岗岩的热应力的作用下会产生微小的膨胀变形，当热应力大于花岗岩晶体间的粘结强度时会产生热破裂，产生裂纹。花岗岩作为高温地热能的储层岩石在地底处于高温高压状态，对于研究实际地底条件下的岩石受温度和应力等因素产生的热破裂规律有着巨大的难度。探究实验温度应力的耦合条件下岩石的微观结构变化有很大的难度，目前在数值模拟方面大量学者做了很大工作，但是其结论的准确性仍需物理实验的验证。 本文利用太原理工大学自主研发的高温高压真三轴试验机，探究温度和应力等因素对花岗岩热破裂的影响规律，该试验机可施加三向不等应力，实验时温度最高加热至 450 ℃，探究不同应力状态下花岗岩渗透率在100~450 ℃之间的演化规律，并用声发射设备采集分析在升温过程中岩石热破裂所产生的的声发射规律，在实验完成后用高精度显微 CT 系统扫描花岗岩试件，并且和实验前扫描此块试件的信息进行分析对比，比较岩石微观结构的变化。通过上述实验手段推测温度和应力对岩石热破裂的影响规律。 本文得出如下结论： 通过在线测量渗透率发现： （1）花岗岩的渗透率在100~400 ℃呈缓慢上升和迅速上升两个阶段，阈值温度在340 ℃左右。并且在岩石的极限应力强度内，花岗岩试件轴压的大小影响花岗岩渗透率在阈值温度前后的增幅，即轴压越大，花岗岩渗透率的温度阈值前后的增幅越大； （2）岩石的三轴应力会诱导岩石内部裂纹的发育方向，岩石内的裂隙易沿着应力较高方向滋生，因此相同围压下轴压大的试件，渗透率会有比较大的尺度；而三维应力大小相同而应力方向不同的两块试件，最大主应力在水平方向的试件渗透率的尺度较小是因为沿着围压方向，裂隙横向发育占有很大比例，不利于轴压方向气体流通网络的贯通。 通过声发射测试发现：100~400 ℃花岗岩的声发射能量率呈现周期性变化，声发射活跃期能量率大幅度增加，在经历声发射能量活跃期之后回归静默期，声发射能量率会降低；波在岩石内的传播速率随温度的升高呈现迅速下降（100~340 ℃）和缓慢下降（340~430 ℃）两个阶段。 通过加热前后CT对照发现：经过430 ℃加热后的花岗岩试件孔隙率有30%左右的的升高，而加热至220 ℃和370 ℃加热后的花岗岩试件孔隙率分别增加了6%和 20%左右，说明在370~430 ℃内的花岗岩热破裂程度较为剧烈。花岗岩试件经过加热后，密度较小的物质所占比例有所增加。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1选题背景

1.2国内外研究现状

1.3本文研究内容

1.4研究方法和技术路线

第二章 花岗岩的高温高压组合实验

2.1试件及实验机器

2.1.1试件样品简介

2.1.2实验设备简介

2.2花岗岩渗透率测定实验

2.3声发射实验

2.4 CT扫描实验

第三章 温度和应力对花岗岩渗透规律的影响

3.1花岗岩的热开裂

3.2 温度作用下岩石渗透率测量方法及其影响因素

3.2.1 达西定律公式

3.2.2 流体的黏滞系数与温度关系

3.3温度对花岗岩渗透率的影响

3.4温度和应力作用下花岗岩渗透率变化规律

3.4.1最大主应力对渗透率的影响

3.4.2最大主应力方向对渗透率的影响

3.5温度作用下试件变形及其渗透率关系

3.6本章小结

第四章 高温高压下花岗岩的声发射规律

4.1 声发射简介

4.2 声发射的数据分析

4.3 高温高压过程中花岗岩声发射变化规律

4.3.1消除噪声影响手段

4.3.2声发射数据的处理

4.3.3温度对岩石内波速的影响

4.4声发射和渗透率的对应规律

4.5本章小结

第五章 高温高压前后花岗岩细观对比分析

5.1 高精度显微CT试验系统

5.2 CT扫描实验

5.3扫描数据分析

5.4实验前后花岗岩孔隙率分析

5.4 CT图片花岗岩的密度分析

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1本文主要结论

6.2研究展望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文题目及参与科研项目